[发明专利]涡流驱动的非能动式氢复合器和点火器

说明书

一种点火装置，其产生高速浮力引起的涡流，将氢气和空气从周围汇集到“点火器芯”上，其中“点火器芯”通过氢在其表面上的放热催化氧化而加热到自动点火温度。水(蒸气)作为产物形成，如果不从催化剂表面被剥离，则抑制氧化反应。涡流的高速度确保将反应形成的蒸汽边界层剥离，从而确保有更多的活性位置可用于氢的氧化。涡流是通过导流翅片将向上的气流引导成涡流而形成的。向上的气流由板形成，该板还涂有氢复合催化剂。在含氢的空气中，通过相同的催化氧化反应使板变热。

技术领域

本发明总体上涉及氢气处理系统，更特别地，涉及用于核电站的氢气点火器和氢复合器。

背景技术

传统的水冷核反应堆的设计目的是将冷却剂损失事故(“LOCA”)对安全壳完整性造成的威胁降至最低。LOCA会引起两个不同的问题。首先，反应堆冷却剂回路的破裂导致热水和蒸汽喷入安全壳气氛中。除非采用从安全壳中带走热量的系统，否则安全壳内的压力和温度可能会升高到安全壳容器的设计极限之外。其次，在严重的LOCA中，不仅涉及冷却剂的损失，而且无法将紧急冷却剂注入冷却剂系统，由此导致的燃料温度升高会导致主系统中的残留蒸汽与燃料护套中的锆之间发生高温反应。在严重的情况下，可能会发生燃料护套的完全氧化。反应放热并产生氢。反应产生的氢与蒸汽一起从主系统的破裂点逸出到安全壳气氛中。在严重事故中，氢的质量释放速率可以为每秒千克级的数量级。除非采用将氢浓度保持在自燃极限以下的系统，否则会在反应堆安全壳内产生潜在的爆炸性气体混合物。

新设计的水冷核反应堆避免了依靠电力供应、生产用水和操作员动作来缓解LOCA的影响。这种设计采用非能动方式，将来自安全壳气氛的热量通过安全壳壁传递，以将安全壳压力保持在设计范围内。例如，钢制安全壳壁和来自高位水箱的外部水冷却用于促进热传递。来自安全壳气氛的热量通过自然对流传递到安全壳壁。破裂处产生的热蒸汽与空气混合并上升到安全壳顶侧，并通过与冷安全壳壁接触而冷却。较冷的稠密混合物落下，并且开始自然循环过程，其中，壁附近的流量下降而中心区域的流量上升。在初始排出期之后，安全壳内的压力和温度会升高，直到蒸汽在冷安全壳壁和任何其他冷表面上的凝结速率等于蒸汽从破裂处排出的速率为止。

传统反应堆设计采用多种方法来缓解氢气的积累。预惰化是一种方法，其涉及在正常的核电站运行的启动之前或启动过程中，在安全壳内产生贫氧气氛。将惰性气体(通常为氮气)注入安全壳中以替代空气，该空气同时将被释放到环境中，并将氧气浓度降低到氢气燃烧所需的水平以下。考虑到大型设计固有的实际困难，预惰化通常仅应用于小型安全壳。

对于中型和大型安全壳设计，通常考虑使用氢气点火器来减少氢气。氢气点火器通常分布在整个安全壳内，特别是在氢气浓度可能很高的区域。一旦氢气浓度超过点火阈值，氢气点火器便开始燃烧，从而通过缓慢的爆燃除去氢气，同时在空间和时间上分配释放的能量。但是，在使用氢气点火器时，存在一个危险，即在一个位置处引发的爆燃可能传播到附近更敏感的区域(即，更靠近氢气的释放点的位置)或排放到易燃的相邻空间(所谓的喷射点火)，并比预期的更加有力地传播。这可能导致从爆燃到爆炸的转变，从而可能对安全壳结构和设备产生很高的负载。故意点火方法的另一个缺点是混合行为的不可预测性和故意点燃混合物可能导致的燃烧类型。这种不确定性促使人们寻求一种不发生爆燃的除氢方法。此外，在电源中断的情况下，可能无法使用依靠交流电源的点火器，电池供电的点火器由于可用的电能有限而仅限于间歇运行，并且催化点火器在以下方面存在限制：可被点燃的混合物范围；该混合物的反应时间及其对中毒、结垢或机械损坏的敏感性。因此，传统实践是提供一些其他方式来将氢浓度保持在爆燃极限以下，并且仅在这些其他方式无效的情况下才依靠故意点火。